A PROTONOS ELMÉLET A SAVAK ÉS BÁZISOK KÉMIAI KÖLCSÖNHATÁSAIBAN

RÉSZ 3.
TÉMA 4. Protonelmélet a savak és bázisok elméleteiről.
A savak és bázisok elméletei — a savak és bázisok természetét és tulajdonságait leíró alapvető fizikai-kémiai elképzelések összessége. Mindegyikük bevezeti a savak és bázisok meghatározását — két olyan anyagosztály, amelyek kölcsönhatásba lépnek egymással. Az elmélet célja a sav és bázis közötti reakciók termékeinek előrejelzése, és annak lehetősége, hogy ezek a reakciók lejátszódjanak, ezért kvantitatív jellemzőket használnak a sav és bázis erősségének meghatározására. Az elméletek közötti különbségek a savak és bázisok meghatározásában, az erősségük jellemzésében és ennek következményeként a reakciók termékeinek előrejelzésére vonatkozó szabályokban rejlenek. Mindezeknek megvan a saját alkalmazási területük, amelyek részben átfedik egymást.

A sav-bázis kölcsönhatások fejlődése.
A sav-bázis kölcsönhatásokkal kapcsolatos elképzelések az alapvető kémiai állítások közé tartoznak. A „sav” és „bázis” fogalma a 17. században alakult ki, de tartalmukat többször is felülvizsgálták és pontosították. R. Boyle például azt vallotta, hogy a savak olyan anyagok, amelyek atomjai éles kiemelkedésekkel rendelkeznek (és így savanyú ízük van), míg a bázisok pórusos anyagok (és keserű ízük van). Szerinte a semlegesítési reakció úgy zajlik le, hogy a sav éles kiemelkedései bejutnak a bázis pórusaiba.
A savak és bázisok képi elméletét N. Lémery javasolta. A „Kémia tanulmányai” című művében (1675) megpróbálta a vegyületek fizikai és kémiai tulajdonságait azok formáján és szerkezetén keresztül magyarázni. Lémery szerint a savak felületükön éles tüskékkel rendelkeznek, amelyek a bőrön szúró érzést keltenek. A bázisokat, amelyeket lúgoknak nevezett, pórusos anyagoknak tekintette. A savak „tüskéi” behatolnak a „pórusokba”, és közben eltörnek vagy tompulnak, így a savak semleges sókká válnak[1].
A savak és bázisok természetéről szóló tudományos elképzelések az 18. század végén kezdtek kialakulni. A. Lavoisier munkáiban a savas tulajdonságokat az anyagok oxigénatomjainak jelenlétéhez kötötte. Akkoriban ismert ásványi és szerves savak valóban tartalmaztak oxigént. Ez a hipotézis gyorsan elbukott, amikor G. Davy és J. Gay-Lussac munkái révén kiderült, hogy számos olyan sav is létezik, amelyek nem tartalmaznak oxigént (például halogén-hidrogén vegyületek, cianovizes savak), míg sok oxigéntartalmú vegyület nem mutat savas tulajdonságokat.

Liebig hidrogén-elmélete
Meghatározások. Sav — olyan anyag, amely képes reagálni fémekkel hidrogén felszabadulása közben. Ebben az elméletben a „bázis” fogalma nem létezik.
Reakciók termékei. Amikor a sav fémmel reagál, só és hidrogén keletkezik.
Példák. Sav — HCl:
Reakció: 2HCl + Zn = ZnCl2 + H2↑
A reakció lefolyásának kritériumai. Az erős savak a hidrogénnél balra eső aktivitási sorban lévő fémekkel reagálnak. Minél gyengébb a sav, annál aktívabb fém szükséges a reakcióhoz.
Mennyiségi jellemzők. Mivel az elméletet ritkán alkalmazzák, a sav erősségének kvantitatív jellemzőit (és ezáltal a reakció irányának előrejelzését) ebben az elméletben nem dolgozták ki.
Alkalmazhatóság. A hidrogén tartalmú anyagok reakcióinak előrejelzése fémekkel bármilyen oldószerben.
Jellemzők. Ennek az elméletnek megfelelően az etil-alkohol és az ammónia gyenge savak, mivel képesek reagálni alkálifémekkel:
2C2H5OH + 2Na = 2C2H5ONa + H2↑
2NH3 + 2Na = 2NaNH2 + H2↑

Arrhenius-Ostwald elektrolitikus disszociációs elmélete.
Vízben oldott ecetsav elektrolitikus disszociációs vázlata
Meghatározások. A savak olyan anyagok, amelyek vízoldatban hidratált H+ kationokat (hidroxónium ionokat) és a sav maradékionját képeznek.
A bázisok olyan anyagok, amelyek vízoldatban fémkationokat vagy ammóniumionokat és hidroxid-anionokat (OH-) képeznek.
A sók olyan anyagok, amelyek vízoldatban fémkationokat vagy ammóniumionokat és savmaradék anionokat képeznek.
Reakciók termékei. A sav és bázis reakciójában (semlegesítési reakció) só és víz keletkezik.
Példák. Sav — HCl (savmaradék Cl-):
HCl + H2O ↔ H3O+ + Cl-
Bázis — NaOH:
NaOH ↔ Na+ + OH-
Semlegesítési reakció (só — NaCl):
HCl + NaOH = NaCl + H2O
A reakció lefolyásának kritériumai. Az erős savak erős bázisokkal reagálnak. Minél gyengébb a sav, annál erősebb bázisra van szükség a reakcióhoz.
Mennyiségi jellemzők. A savak és bázisok erejét a disszociációs állandóik (K) jellemzik.
Sav esetében: K = [H+]·[A-]/[HA]
Bázis esetében: K = [Me+]·[OH-]/[MeOH]
A reakció akkor megy végbe, ha a disszociációs állandók szorzata nagyobb, mint 10−14 (a víz ionos szorzata).
Alkalmazhatóság. Az elmélet megfelelően leírja az elég erős savak és bázisok reakcióit, valamint azok vízoldatainak tulajdonságait. Az elmélet alapján meghatározták az elektrolitok erős és gyenge kategóriáját, és bevezették a hidrogén indikátor fogalmát, bár ennek alkalmazása lúgos közegben további feltételezéseket igényel (a víz ionos szorzatának figyelembevételét).
Az elmélet alkalmazható sók hidrolízisének leírására és sav-bázis reakciók sókkal való reakciójára is, de ehhez sokkal bonyolultabb apparátus szükséges — a protonelmélet (lásd alább) sokkal kényelmesebb.
Az Arrhenius-Ostwald elmélet alkalmazhatósága vízoldatokra korlátozódik. Továbbá, nem képes megmagyarázni az ammónia, foszfin és más olyan vegyületek alaposságát, amelyek nem tartalmaznak hidroxilcsoportot.

Brønsted-Lowry protonelmélete.
A Brønsted-Lowry protonelméletet 1923-ban, függetlenül egymástól, a dán tudós, J. Brønsted és az angol tudós, T. Lowry javasolták. Az elméletben a savak és bázisok fogalmát egy egységbe vonták, amely sav-bázis kölcsönhatásként nyilvánul meg: A + B + H+ (A — sav, B — bázis). Az elmélet szerint a savak olyan molekulák vagy ionok, amelyek képesek protonokat adni a reakcióban, míg a bázisok azok a molekulák vagy ionok, amelyek protonokat vesznek fel (akceptorként). A savakat és bázisokat közösen protolitoknak nevezzük.

Só-lódi rendszerek elmélete.
A só-lódi rendszerek elmélete az Arrhenius-Ostwald elmélet kiterjesztése más ionos (különösen protonos) oldószerekre. Az amerikai kémikusok, G. Cady, E. Franklin és C. Kraus dolgozták ki.
Meghatározások. Ionikus oldószer — olyan oldószer, amely képes disszociálni kationra és anionra. A kation ionnak nevezzük, a anion pedig liátnak. Protonos oldószer — olyan oldószer, amely képes autoprotonizálódni, azaz proton átvitelére egyik molekuláról a másikra:
2HL ↔ H2L+ + L-
Ezek olyan oldószerek, amelyek elég polarizált kötésekkel rendelkeznek, amelyekben a hidrogén és más nemfémek (általában nitrogén, oxigén vagy fluor) egy megosztott elektronpárt tartalmaznak.
Megjegyzés: ebben a meghatározásban benne van a protonelmélet, mivel az autoprotonizáció egy sav-bázis reakció Brønsted-Lowry szerint. Benne van továbbá a Lewis elmélet is, mivel az magyarázza meg a liáni és liát képző ionok keletkezését.
A H2L+ iont liániionnak nevezik, az L– iont pedig liát-ionnak.
A savak olyan anyagok, amelyek ebben az oldószerben liáni iont képeznek.
A bázisok olyan anyagok, amelyek ebben az oldószerben liát iont képeznek.
A sók olyan anyagok, amelyek ebben az oldószerben disszociálnak, és olyan kationt és aniont képeznek, amelyek nem liáni és liát ionok.
Reakciók termékei. A sav és bázis reakciójában (semlegesítési reakció) só és oldószer keletkezik.